DE3885609T2

DE3885609T2 - Formverfahren mit dissoziiertem lignocellulosischem Material und so hergestelltes Produkt.

Info

Publication number: DE3885609T2
Application number: DE3885609T
Authority: DE
Inventors: Long Edward Albert De; Long Edward Paul De; George S Ritchie
Original assignee: Tigney Technology Inc
Current assignee: Tigney Technology Inc
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-06-14
Also published as: ES2047580T3; FI95921B; EP0346559B1; FI882683L; ATE97053T1; EP0346559A2; FI882683A0; EP0346559A3; FI95921C; DE3885609D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus dissoziiertem Lignozellulosematerial sowie auf das nach diesem Verfahren hergestellte Produkt. Sie bezieht sich weiterhin auf die Verwendung von dissoziiertem Lignozellulosematerial als Binder, um damit ganz oder teilweise die gewöhnlich bei der Herstellung von Sperrholz, Schichtplatten, orientierten Faserplatten, Partikelplatten und anderen Formkörpern verwendeten Phenolharze zu ersetzen.
Dissoziiertes Lignozellulosematerial, das Ausgangsmaterial für den hierin beschriebenen Formprozeß, wird nach einem Verfahren der explosiven Entspannung hergestellt. Bei diesem Explosionsverfahren wird Lignozellulosematerial, wie beispielsweise gewachsene Pflanzenmaterialien, wie Haferhülsen, Maiskolben, Bagasse, Weizenstroh, Haferstroh, Gerstenstroh, Reisstroh und Hölzer verschiedener Arten verwendet. Das Explosionsverfahren umfaßt folgende Schritte: (1) Einbringen des Lignozellulosematerials in zerteilter, offener, feuchter Form in ein Druckgefäß mit einem Ventilauslaß; (2) bei geschlossenem Ventil rasches Füllen des Druckgefäßes mit Wasserdampf bei einem Druck von wenigstens 2.750 kPa (400 psi), um im wesentlichen das gesamte Lignozellulosematerial auf eine Temperatur im Bereich von 185ºC bis 240ºC in weniger als 60 Sekunden zu bringen, damit das Lignozellulosematerial in einen plastischen Zustand thermisch erweicht wird, und (3) nach Erreichen des plastischen Zustands Öffnen des Auslaßventils und plötzliches und explosionsartiges Ausstoßen des Lignozellulosematerials aus dem Druckgefäß in die Atmosphäre. Dieses Explosionsverfahren bricht die chemischen Vernetzungen zwischen Lignin und Hemizellulose und erzeugt eine Mischung von chemischen Substanzen. Diese Mischung, die in der vorliegenden Beschreibung als "dissoziiertes Lignozellulosematerial" bezeichnet wird, ist eine teilchenförmige Substanz mit dem Aussehen von Topferde. Sie besteht in erster Linie aus Zellulose, Lignin, Essigsäure, Glukuronsäure, Furfural, Xylosezuckern und Xylan, welche Substanzen im wesentlichen voneinander chemisch getrennt sind. Das Dampfexplosionsverfahren ist weiters in der CA-A 1 141 376 und CA-A 1 217 765 von DeLong beschrieben, welche am 15. Februar 1983 bzw. am 10. Februar 1987 erteilt wurden, und die bei dem Verfahren verwendete Apparatur ist dort dargestellt und beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Man hat schon früher die Idee gehabt, dissoziiertes Lignozellulosematerial als Tierfutter oder als Ausgangsmaterial zur Herstellung verschiedener chemischer Komponenten der Mischung zu verwenden. Es wurde jedoch jetzt gefunden, daß es möglich ist, die durch das Verfahren der explosiven Entspannung von Lignozellulosematerialien erzeugten dissoziierten Komponenten der Mischung in eine stark vernetzte Matrix zu rekombinieren, indem man die Mischung in einer Form Hitze und Druck unterzieht. Es können verschiedene Kombinationen von Formdruck, Temperatur und Verweilzeit in der Form verwendet werden, um den Grad der Vernetzung des Materials zu verändern und dadurch die Stärke und Dichte des Endproduktes zu steuern.
Die Erfindung schafft daher ein Verfahren zum Materialformen, gekennzeichnet durch:
(A) Herstellen eines dissoziierten Lignozellulosematerials zum Formen durch
(1) Einbringen von Lignozellulosematerial in zerteilter, feuchter Form in ein Druckgefäß mit einem Ventilauslaß,
(2) bei geschlossenem Ventil rasches Füllen des Druckgefäßes mit Wasserdampf bei einem Druck von mindestens 2.750 kPa (400 psi), um im wesentlichen das gesamte Lignozellulosematerial auf eine Temperatur im Bereich von 185ºC bis 240ºC in weniger als 60 Sekunden zu bringen, damit das Lignozellulosematerial in einen plastischen Zustand thermisch erweicht wird;
(3) nach Erreichen des plastischen Zustands Öffnen des Auslaßventils und plötzliches und explosionsartiges Ausstoßen des Lignozellulosematerials aus dem Druckgefäß in die Atmosphäre,
wobei der explosionsartige Ausstoß die chemische Vernetzung zwischen dem Lignin und der Hemizellulose des Lignozellulosematerials aufbricht und eine Mischung von wasserlöslichen chemischen Substanzen erzeugt, wodurch dissoziiertes Lignozellulosematerial erhalten wird;
(B) Waschen des dissoziierten Lignozellulosematerials mit Wasser zwecks Entfernens von im wesentlichen den gesamten oder nur einem Teil der wasserlöslichen chemischen Substanzen;
(C) Zusetzen eines Vernetzungsmittels und eines Katalysators dafür zum gewaschenen dissoziierten Lignozellulosematerial zwecks Schaffung eines formbaren dissoziierten Lignozellulosematerials, wobei das Vernetzungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem C&sub5;-Zucker, einem C&sub6;-Zucker, deren Glykosiden und Konjugaten, Furfural, Hydroxymethylfurfural und Mischungen davon, Paraformaldehyd oder irgendeinem anderen Vernetzungsmittel, und der Katalysator ein saurer Katalysator ist;
(D) Trocknen des formbaren dissoziierten Lignozellulosematerials auf einen Wassergehalt von etwa 5 % oder weniger;
(E) Einbringen des formbaren Materials in eine beheizte und belüftete Form;
(F) Aufbringen eines ausreichenden Drucks im Bereich von 135 bis 10.400 kPa (20 - 1.500 psi) über einen ausreichenden Zeitraum im Bereich von 5 Sekunden bis 30 Minuten und bei einer ausreichenden Temperatur im Bereich von 70ºC bis 260ºC auf das formbare Material in der Form zur Bildung eines starren Produkts; und
(G) Entfernen des geformten Produkts aus der Form.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das geformte Produkt zur Abgabe interner Spannungen aushärten gelassen werden, indem es in einer unbeheizten Form unter Druck gesetzt wird.
Weiterhin wurde gefunden, daß es möglich ist, ein geformtes Produkt aus einer Mischung von dissoziiertem Lignozellulosematerial und verschiedenen faserigen oder holzigen Materialien herzustellen. In diesem Fall wirkt das dissoziierte Lignozellulosematerial sowohl als Füllstoff als auch als Binder. Weiters kann das dissoziierte Lignozellulosematerial in seiner Eigenschaft als Binder eine Vielzahl von anderen Aggregaten wie Kohle, Asphalt, Faserglas, und andere nicht holzartige Materialien umhüllen.
Die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung von geformten Platten und anderen Produkten wird beträchtlich verbessert, wenn die wasserlösliche Fraktion des dissoziierten Lignozellulosematerials entfernt wird und die isolierten Chemikalien abgetrennt werden. Dies trifft besonders zu, weil die Kosten der Austauschvernetzungschemikalien wesentlich geringer sind als der Wert des wasserlöslichen Materials. Ein bevorzugtes Verfahren zum Extrahieren der wasserlöslichen Chemikalien aus dissoziiertem Lignozellulosematerial besteht darin, das Material in eine Säule mit einer oberen und einer unteren Öffnung einzubringen, durch die obere Öffnung Wasser einzubringen und ohne Bewegen des Inhaltes der Säule das Lösungsmittel abwärts durch das dissoziierte Lignozellulosematerial unter dem Einfluß der Schwerkraft perkolieren zu lassen und dann das Lösungsmittel und die dissoziierten Substanzen durch die untere Öffnung der Säule abzuziehen. Wässerige Lösungen von Ligninvernetzungszusammensetzungen können dann der Säule zugesetzt werden für feuchtes Mischen durch Perkulation sowie zum Waschen mit Wasser. Der Inhalt der Säule wird dann entfernt, entwässert und je nach Bedarf zur Senkung des Feuchtigkeitsgehalts weiter getrocknet. Das resultierende Produkt kann dann ebenso, wie es hierin für dissoziiertes Lignozellulosematerial, das nicht derart behandelt wurde, beschrieben ist, geformt werden.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Dissoziiertes Lignozellulosematerial, das durch die oben beschriebenen und in der CA-A 1 096 374, CA-A 1 141 376, und CA-A 1 217 765 beschriebenen Verfahren frisch hergestellt wurde, enthält gewöhnlich zu viel Feuchtigkeit, d.h. einen Feuchtigkeitsgehalt, der das Formungsverfahren stört. Es wurde nun gefunden, daß gute Resultate erzielt werden, wenn das Material vor dem Formen bis auf einen Wassergehalt von ungefähr 5% getrocknet wird. Dieses Trocknen kann durchgeführt werden, indem das Material einfach der Luft bei Umgebungstemperatur während einer hinreichend langen Zeitspanne ausgesetzt wird. Der genaue Wassergehalt ist nicht kritisch für das Formungsverfahren, da es auch, wenn auch weniger gut, funktioniert, wenn etwas mehr oder weniger Feuchtigkeit vorhanden ist.
Wenn nun der Wassergehalt derart vermindert wurde, kann das Material in eine Form eingebracht oder eingespritzt werden, die die gewünschte Größe und Gestalt aufweist. Es wurde gefunden, daß das geformte Produkt ein geeigneter Ersatz für Spanplatten, Schichtplatten, Faserplatten, Hartplatten, Sperrholz und dgl. ist, daher kann die Form entsprechend gestaltet sein.
Formdruck, Temperatur und Verweilzeit hängen von der Art des gewünschten Produkts ab.
Das Formen kann über einen weiten Temperaturbereich durchgeführt werden. Die Vernetzungsreaktionen, die während des Formens stattfinden, laufen bei höheren Temperaturen rascher ab. Es wurde gefunden, daß bei Erhöhung der Formtemperatur die Dichte des Produkts bei konstantem Druck zunimmt. Temperaturen im Bereich von etwa 70ºC bis 260ºC erwiesen sich zur Herstellung eines Allzweckprodukts als zweckmäßig. Die gewünschte Formtemperatur kann durch Vorerhitzen der Form erzielt werden, und in dieser Beschreibung bedeutet "Formtemperatur" die Temperatur der Form. Ob das gesamte Material in der Form auf diese Temperatur erhitzt wird, hängt von der Stärke der Form und der Verweilzeit ab. Alternativ ist es möglich, beim Formen von Produkten mit großem Volumen, beispielsweise Eisenbahnschwellen oder Bauteilen, die Ausgangsmaterialien anstelle von oder zusätzlich zum Erhitzen in der Form vorzuerhitzen. Die Vorerhitzung des Materials sollte in einem geschlossenen Gefäß durchgeführt werden, um das Entweichen von Furfural und dgl. zu verhindern.
Der Formdruck kann auch innerhalb eines weiten Druckbereichs ausgewählt werden, je nach der gewünschten Dichte des geformten Produkts. Es wurde gefunden, daß Formdrücke von etwa 135 bis 10.400 kPa (20 bis 1.500 psi) angewendet werden können. Drücke im Bereich von 4.100 bis 4.800 kPa (600 bis 700 psi) können verwendet werden, um ein gutes Allzweckprodukt zu erzielen.
Zur Herstellung eines geformten Produkts, welches korkähnlich ist, können eine Formtemperatur von etwa 70 bis 110ºC und ein Formdruck von etwa 135 bis 620 kPa (20 bis 90 psi) verwendet werden. Ein derartiges Produkt kann verwendet werden, um langsam abzugebende Nährstoffe in einen bioabbaubaren Pflanzentopf einzukapseln.
Es ist möglich, ein geformtes Produkt niedriger Dichte mit erhöhter Härte und Wasserbeständigkeit durch Formen bei relativ niedriger Temperatur (z.B. 70 bis 120ºC) und anschließendes Aufbringen einer auf etwa 300ºC erhitzten Formplatte während einer kurzen Zeit herzustellen. Dadurch wird die Zellulose an der Oberfläche des geformten Produkts plastifiziert.
Um ein geformtes Produkt mit einer Dichte ähnlich der einer Möbelplatte (mittlere Dichte) herzustellen, können eine Formtemperatur von etwa 120 bis 145ºC und ein Formdruck von etwa 690 bis 4.800 kPa (100 bis 700 psi) verwendet werden.
Zur Herstellung eines geformten Produkts mit hoher Dichte können eine Formtemperatur von etwa 120 bis 165ºC und ein Formdruck von etwa 4.800 bis 10.400 kPa (700 bis 1.500 psi) verwendet werden. Unter Verwendung von geeignet hohen Drücken und Temperaturen ist es möglich, ein Material mit sehr hoher Dichte zu erhalten, welches beispielsweise anstelle von Schiefer in den oberen Enden von Billardtischen verwendet werden kann. Ein derartiges Produkt ist so dicht, daß eine Gewehrkugel, Kaliber 22, abgefeuert aus einer sehr kurzen Distanz, nicht mehr als 4 oder 5 mm tief eindringt.
Die Verweilzeit in der Form kann über einen weiten Bereich variieren, je nach der Dicke der Platte und der gewünschten Dichte des Produkts. Das Material wirkt als Isolator; ein dickeres Formprodukt benötigt mehr Zeit, damit die Wärme von der Form voll eindringen kann und damit es nach der Vernetzung aushärtet. Um eine gleichmäßige Vernetzung über die Dicke des Produkts zu erzielen, können längere Verweilzeiten gewählt werden und die Temperatur entsprechend abgesenkt werden. Es wurde gefunden, daß bei gegebener Temperatur, Dicke und gegebenem Druck eine erhöhte Verweilzeit zu einer erhöhten Produktdichte führt. Verweilzeiten im Bereich von etwa 5 Sekunden bis 30 Minuten wurden erfolgreich eingesetzt.
Die Form sollte gelüftet werden, um das kontinuierliche Entweichen von Dampf und anderen Gasen, welche während des Formvorganges erzeugt werden, zu gestatten.
In manchen Fällen soll das geformte Material nach dem Verformen aushärten gelassen werden, um die inneren Spannungen abzubauen. Bei Materialien hoher Dichte wird eine längere Aushärtzeit benötigt, und es kann zweckmäßig sein, das geformte Produkt unmittelbar nach der Verformung in eine ungeheizte Form mit einem Druck ähnlich dem Verformungsdruck zu transferieren, um das Produkt härten zu lassen.
Wenn dissoziiertes Lignozellulosematerial auf die beschriebene Weise verformt wird, wird das Lignin mit Furfural, Fettsäuren und Xylan vernetzt. Wenn die Formtemperatur bis auf etwa 240ºC erhöht wird, reagieren die Säuren im dissoziierten Lignozellulosematerial schneller mit den Xylan- und Xylosezuckern und produzieren eine höhere Konzentration an Furfural, welches wiederum den Vernetzungsgrad mit Lignin erhöht, wodurch ein dichteres und festeres Produkt erzielt wird. Durch Steuerung dieser Reaktionen lassen sich die Festigkeit, die Wasserbeständigkeit und die Dichte des geformten Produkts variieren.
Um die Geschwindigkeit der Reaktion zu erhöhen oder die Formtemperatur herabzusetzen, oder beides, wird in der Praxis und gemäß der Erfindung ein Säurekatalysator (wie eine Mineralsäure, eine organische Säure oder eine Lewis-Säure oder eine Mischung hievon) zugesetzt, um die Geschwindigkeit und den Grad des Aufschlusses von Xylan- und Xylosezuckern zu Furfural zu erhöhen, wodurch wiederum der Grad der Vernetzung mit dem Lignin erhöht wird. Auch werden C&sub5;- oder C&sub6;-Zucker entweder frei oder kombiniert als Glykoside oder als kurzkettige Oligosaccharide, Furfural, Hydroxymethylfurfural und Mischungen davon, Paraformaldehyd oder andere Vernetzungsmittel dem dissoziierten Lignozellulosematerial zugesetzt, um einen höheren Vernetzungsgrad als nur mit Furfural zu erzielen, welches aus der Xylose und dem Xylan im Material sowohl während des Explosionsprozesses als auch während des Aufheizzyklus in der Form gebildet wird.
Beim oben beschriebenen Verfahren bildet das dissoziierte Lignozellulosematerial sowohl den Füllstoff als auch den Binder des geformten Produkts. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf die Verwendung von dissoziiertem Lignozellulosematerial in Verbindung mit anderen Materialien wie Sägemehl, Holzscheiben, Holzfasern, Strohfasern, Bagassefasern, Glasfasern, Asbestfasern, Kohlefasern, Kohle, Sand und dgl. gerichtet. Hier wirkt das dissoziierte Lignozellulosematerial im geformten Produkt auch als Füllstoff, soll jedoch primär als Binder wirken und ersetzt ganz oder teilweise die Phenolharze und ähnliche Substanzen, welche gewöhnlich als Binder Verwendung finden, wenn derartige Materialien verformt werden. Bei Verwendung sollen diese Materialien vor dem Verformen gründlich mit dem dissoziierten Lignozellulosematerial gemischt werden.
Im allgemeinen wird das geformte Produkt umso weicher, je höher der Anteil an diesen Materialien ist. So kann beispielsweise zu Erzielung eines relativ weichen Endprodukts Sägemehl mit dem dissoziierten Lignozellulosematerial gemischt und dann in einem Verhältnis von etwa 4 Teilen Sägemehl : 1 Teil dissoziiertem Lignozellulosematerial verformt werden. Um eine stärkere Platte herzustellen, können auch Verhältnisse von 1 Teil oder weniger Sägemehl : 1 Teil dissoziiertem Lignozellulosematerial eingesetzt werden.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist klar, daß verschiedene Mischungen dieser Füllmaterialien und verschiedene Kombinationen von Formdruck, Temperatur und Verweilzeit eingesetzt werden können, um ein geformtes Produkt mit den für eine bestimmte Anwendungsform gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Es können auch Konservierungsmittel, wasserabstoßende Stoffe, Feuerhemmittel und dgl. dem Material vor der Verformung zugesetzt werden, um ein geformtes Produkt mit für eine bestimmte Anwendung gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
Es ist auch möglich, dem zu formenden Material vor der Formung Düngemittel zuzusetzen. Das resultierende Produkt gestattet die langsame Freisetzung des Düngemittels in den Boden, wodurch das rasche Ablaufen und damit die Verunreinigung von Gewässern, die oft auftritt, wenn Düngemittel von Bauern verwendet werden, vermieden wird.
Im wesentlichen alle oder nur manche der wasserlöslichen Substanzen im dissoziierten Lignozellulosematerial werden durch Waschen mit Wasser entfernt. Dadurch wird ein Großteil der Vernetzungsfähigkeit der Mischung entfernt. Die wasserlöslichen Substanzen sind beispielsweise Essigsäure, Glukuronsäure, Vanillin, Syringaldehyd, Pflanzenprotein, Furfural, anorganische Salze, Xylose und Xyloseoligomere.
Um die Bindeeigenschaften des mit Wasser gewaschenen dissoziierten Lignozellulosematerials wiederherzustellen, ist es notwendig, Vernetzungsmittel zuzusetzen. Typische derartige Mittel sind beispielsweise saure Katalysatoren (eine oder mehrere aus der Gruppe der Mineralsäuren, wie Schwefelsäure, organischen Säuren, wie Essigsäure, oder Lewis-Säuren, wie Zinkchlorid) in Verbindung mit einer Kohlehydratkomponente, wie C&sub5;-Zucker, beispielsweise wie jene im wasserunlöslichen Material, das aus dem dissoziierten Lignozellulosematerial extrahiert wird, oder C&sub6;- Zucker, deren Glykoside oder kurzkettigen Oligosaccharide oder eine Mischung aus C&sub5;- und C&sub6;-Zuckern. Das aktive Vernetzungsmittel während des Formprozesses ist Furfural, wenn die Quelle ein C&sub5;-Zucker ist, und Hydroxymethylfurfural, wenn ein C&sub6;-Zucker eingesetzt wurde. Es können daher Furfural oder Hydroxymethylfurfural und dgl. die amorphe Kohlehydratkomponente in der Mischung ersetzen oder ergänzen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß Hydroxymethylfurfural ein deutlich besseres Vernetzungsmittel ist, und es wird daher ein C&sub6;-Zucker vorgezogen.
Um die wasserlöslichen Substanzen zu entfernen, wird das dissoziierte Lignozellulosematerial in einer Säule gewaschen. Dies kann unter Verwendung einer Säule durchgeführt werden, die eine obere Öffnung, durch welche Lösungsmittel zugesetzt und das dissoziierte Lignozellulosematerial in die Säule gebracht werden kann, und eine untere Öffnung zur Entfernung des Eluierungsmittels aufweist. (In dieser Beschreibung bedeutet "Eluierungsmittel" ein Lösungsmittel mit seinen gelösten oder suspendierten Stoffen, welches aus der Säule entfernt wird). Die Säule kann zweckmäßig ein zylindrisches oder rechteckiges Rohr sein, welches oben offen ist und am Unterteil ein Ablaufsystem aufweist, welches zu einer Leitung und einem Gefäß zur Aufnahme des Eluierungsmittels führt. Die Säule kann auf verschiedene Höhen mit dissoziiertem Lignozellulosematerial gefüllt werden, je nach dem gewünschten Grad der Extraktion. Es wurden gute Resultate mit einer 1,5 m hohen MaterialSäule erzielt, es werden jedoch auch Höhen von etwa 0,3 m bis über 6 m erfolgreich eingesetzt.
Im Lignozellulosematerial ist von Natur aus Wasser enthalten, und während der ersten Stufe des Explosionsverfahrens wird noch mehr Wasser durch Adsorption aufgenommen. Es ist daher die wasserlösliche Fraktion des dissoziierten Lignozellulosematerials praktisch in dem Wasser, das im Material vorhanden ist, bereits gelöst.
Ein Packen oder Komprimieren des Materials in der Säule hemmt den Lösungsmittelstrom und soll daher vermieden werden. Dann wird Wasser der Säule zugesetzt. Die Flüssigkeit perkoliert durch das Bett abwärts und drückt dabei den Schwall von Eigenwasser, welches die wasserlöslichen Substanzen enthält, vor sich her. Die Lösung, welche am Boden der Säule austritt, ist zunächst sehr konzentriert; da jedoch nicht alle Kanäle für den Flüssigkeitsstrom infolge ihrer verschiedenen Poren- oder Kanalgröße von der aufgegebenen Flüssigkeit im gleichen Maße durchströmt werden, kann die perfekte Idealströmung nicht realisiert werden und die Konzentration an gelösten Substanzen fällt exponentiell ab. Wasserextrahierbare Substanzen machen etwa 25 Gew.% des dissoziierten Lignozellulosematerials (bezogen auf Trockensubstanz) aus. Bei einer 1,5 m hohen Säule mit lose gefülltem dissoziiertem Lignozellulosematerial können mehr als 99% der wasserlöslichen Substanzen mit nur zwei Säulenvolumen Wasser entfernt werden.
Nach dem Waschen mit Wasser ist das dissoziierte Lignozellulosematerial im wesentlichen frei von chemischen Reagenzien, die mit dem Lignin vernetzen können. Wenn gewünscht, können die dissoziierten Lignozellulosematerialien weniger gründlich gewaschen werden, so daß nur ein Teil der vernetzenden Chemikalien entfernt wird.
Um die Binderqualitäten des Materials wieder zu erzielen, ist es notwendig, eine geeignete Vernetzungsmittelzusammensetzung zuzusetzen. Typischerweise enthält eine deratige Zusammensetzung eine wasserlösliche Säure (wie Schwefelsäure oder Essigsäure) zusammen mit einem C&sub5;- oder C&sub6;-Zucker (oder einer Mischung eines C&sub5;- mit einem C&sub6;-Zucker) in freier Form oder als Glykoside oder als Konjugate, wie niedermolekulare Oligosaccharide. Diese Kohlehydrate können aus den wasserlöslichen Substanzen erhalten werden, die aus dem dissoziierten Lignozellulosematerial ausgewaschen wurden. Die Vernetzungsmittelzusammensetzung, welche Säure in einer Stärke von 0,2 bis 1% und Zucker in einem Konzentrationsbereich von 2 bis 12% enthalten kann, wird am Oberteil der Säule aufgegeben und durch das Material sickern gelassen. Zunächst verläßt Wasser von der vorhergehenden Waschung die Säule in der Idealströmung. Es wird genügend Zusammensetzung zugegeben, so daß der pH-Wert des wässerigen Eluans, das die Säule verläßt, ebenso nieder ist wie jener der in die Säule eintretenden Lösung, wodurch angezeigt wird, daß die Säure die Säule verläßt nachdem sie den gesamten Inhalt der Säule gleichmäßig benetzt hat. Zu diesem Zeitpunkt wird das Material aus der Säule entfernt, soweit entwässert wie zweckmäßig und dann weiter an der Luft oder in einem Heiztrockner getrocknet. Das Material kann dann zerkleinert oder gemahlen werden, um ein feines Pulver zu erhalten, welches für die Verwendung als Binder geeignet ist. Vor dem Verformen kann das getrocknete Material mit den faserförmigen Aggregaten, Konservierungsmitteln, wasseresistenten Stoffen und feuerhemmenden Stoffen je nach Vorschrift gemischt werden. Um die Wasserbeständigkeit des geformten Produkts zu verbessern, wenn wasserabsorbierende Füllstoffe, wie Sägemehl oder Holzspäne verwendet werden, kann das Sägemehl- oder Holzspanmaterial mit dem Säure/Kohlehydratvernetzungsmaterial imprägniert werden. Dadurch wird an der Zwischenfläche zwischen Binder und Füllstoff Furfural oder Hydroxymethylfurfural erzeugt und damit um den Füllstoffkörper eine Schutzhülle geschaffen. Im allgemeinen kann das erhaltene Material zum Formen auf die gleiche Weise wie dissoziiertes Lignozellulosematerial, das keiner Waschung mit Wasser unterzogen wurde, verwendet werden.
In manchen Fällen ist es gewünscht, das geformte Endprodukt für Heizzwecke zu verwenden, und es wird daher ein Füllmaterial, wie Kohle, in das Produkt eingebracht. In diesem Fall können dem Vernetzungsmittel vor dessen Zusatz in die Säule Mittel, welche die Verbrennung begünstigen (wie Nitratsalze) und flammfärbende Mittel (verschiedene anorganische Salze je nach der gewünschten Farbe) zugemischt werden. Derartige geformte Brennstoffe können schließlich die Form von Brennklötzen oder brikettartigen Klumpen haben.
Für den Fall, daß weder Mineralsäuren noch organische Säuren bei der Vernetzungszusammensetzung verwendet werden, sondern statt dessen eine Lewis-Säure in Form des Salzes verwendet wird, muß dieses Salz in trockener Form und im Idealfall mit einem Material, das einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 1% aufweist, gemischt werden.
Da die Säure als Katalysator wirkt, werden geringe Mengen eingesetzt, die letztlich benötigte Menge hängt jedoch von der Beschaffenheit des faserigen oder zerkleinerten Materials ab und seiner Fähigkeit, die Säure aus dem vernetzenden Kohlehydratmaterial durch Kapillarwirkung abzuziehen. Typischerweise wird eine Lösung mit weniger als 1 Gew.% Säurekatalysator benötigt. Im gesamten dissoziierten Lignozellulosematerial liegt der Gehalt an amorphem Kohlehydrat im Bereich von 15 bis 25% je nach dem eingesetzten Lignozellulosematerial. Durch Waschen des dissoziierten Lignozellulosematerials mit Wasser und Kombinieren mit anderen vernetzenden Kohlehydratmitteln kann diese Zuckermenge auf weniger als die Hälfte reduziert werden, und die schließlich erhaltene Zusammensetzung dient nach wie vor als wirksames Bindemittel.

Claims

1. Verfahren zum Materialformen, gekennzeichnet durch:

(A) Herstellen eines dissoziierten Lignozellulosematerials zum Formen durch

(1) Einbringen von Lignozellulosematerial in zerteilter, feuchter Form in ein Druckgefäß mit einem Ventilauslaß,

(2) bei geschlossenem Ventil rasches Füllen des Druckgefäßes mit Wasserdampf bei einem Druck von mindestens 2.750 kPa (400 psi), um im wesentlichen das gesamte Lignozellulosematerial auf eine Temperatur im Bereich von 185ºC bis 240ºC in weniger als 60 Sekunden zu bringen, damit das Lignozellulosematerial in einen plastischen Zustand thermisch erweicht wird;

(3) nach Erreichen des plastischen Zustands Öffnen des Auslaßventils und plötzliches und explosionsartiges Ausstoßen des Lignozellulosematerials aus dem Druckgefäß in die Atmosphäre,

wobei der explosionsartige Ausstoß die chemische Vernetzung zwischen dem Lignin und der Hemizellulose des Lignozellulosematerials aufbricht und eine Mischung von wasserlöslichen chemischen Substanzen erzeugt, wodurch dissoziiertes Lignozellulosematerial erhalten wird;

(B) Waschen des dissoziierten Lignozellulosematerials mit Wasser zwecks Entfernens von im wesentlichen den gesamten oder nur einem Teil der wasserlöslichen chemischen Substanzen;

(C) Zusetzen eines Vernetzungsmittels und eines Katalysators dafür zum gewaschenen dissoziierten Lignozellulosematerial zwecks Schaffung eines formbaren dissoziierten Lignozellulosematerials, wobei das Vernetzungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem C&sub5;-Zucker, einem C&sub6;- Zucker, deren Glykosiden und Konjugaten, Furfural, Hydroxymethylfurfural und Mischungen davon, Paraformaldehyd oder irgendeinem anderen Vernetzungsmittel, und der Katalysator ein saurer Katalysator ist;

(D) Trocknen des formbaren dissoziierten Lignozellulosematerials auf einen Wassergehalt von etwa 5 % oder weniger;

(E) Einbringen des formbaren Materials in eine beheizte und belüftete Form;

(F) Aufbringen eines ausreichenden Drucks im Bereich von 135 bis 10.400 kPa (20 - 1.500 psi) über einen ausreichenden Zeitraum im Bereich von 5 Sekunden bis 30 Minuten und bei einer ausreichenden Temperatur im Bereich von 70ºC bis 260ºC auf das formbare Material in der Form zur Bildung eines starren Produkts; und

(G) Entfernen des geformten Produkts aus der Form.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß die Form auf eine Temperatur zwischen etwa 70 und 260ºC vorerhitzt wird und wobei eine auf etwa 300ºC vorerhitzte Formplatte auf das geformte Produkt nach Formung desselben aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß ein geformtes Produkt mit einer Dichte ähnlich jener von Plattenkork hergestellt wird und die Form auf eine Temperatur zwischen etwa 70 und 110ºC vorerhitzt und ein Druck zwischen etwa 135 und 620 kPa (20 - 90 psi) auf das Material in der Form aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß ein geformtes Produkt mit einer Dichte ähnlich jener von Möbelplatten hergestellt wird und die Form auf eine Temperatur zwischen etwa 120 und 145ºC vorerhitzt und eine Druck zwischen etwa 690 und 4.800 kPa (100 - 700 psi) auf das Material in der Form aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Formen ein Konservierungsmittel zum dissoziierten Lignozellulosematerial zugegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Formen ein wasserabstoßendes Mittel zum dissoziierten Lignozellulosematerial zugegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Formen ein feuerhemmendes Mittel zum dissoziierten Lignozellulosematerial zugegeben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß der saure Katalysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Mineralsäure, einer organischen Säure und einer Lewis-Säure.

9. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß das geformte Produkt aus der heißen Form in eine unbeheizte Form unter ähnlichem Druck gegeben wird, um das geformte Produkt aushärten zu lassen.

10. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 1, umfassend den Schritt des Mischens des dissoziierten Lignozellulosematerials mit Füllstoffen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Holzscheiben, Holzfasern, Strohfasern, Bagassefasern, Sägemehl, Glasfasern, Asbestfasern, Kohlefasern, Düngemittel, Kohle und Sand.

11. Verfahren nach Anspruch 10, weiters dadurch gekennzeichnet, daß das dissoziierte Lignozellulosematerial einen übermäßigen Feuchtigkeitsgehalt aufweist und der Feuchtigkeitsgehalt vor dem Formen auf einen geeigneten Grad von etwa 5 % oder weniger gebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiters dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Material Sägemehl ist, das in einem Verhältnis von 4 Teilen oder weniger Sägemehl : 1 Teil dissoziiertem Lignozellulosematerial verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiters dadurch gekennzeichnet, daß die Form auf eine Temperatur zwischen etwa 70 und 260ºC vorerhitzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, weiters dadurch gekennzeichnet, daß eine auf etwa 300ºC vorerhitzte Formplatte auf den Formkörper nach Formen desselben aufgebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiters dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Formen ein Konservierungsmittel zu dem zu formenden Material zugegeben wird.

16. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiters dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Formen ein wasserabstoßendes Mittel zu dem zu formenden Material zugegeben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiters dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Formen ein feuerhemmendes Mittel zu dem zu formenden Material zugegeben wird.

18. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiters dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus der heißen Form in eine unbeheizte Form unter ähnlichen Druckverhältnissen verlagert wird, damit der Formkörper aushärten kann.

19. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend C&sub5;- und C&sub6;-Zucker in freier oder gebundener Form.

20. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel Hydroxymethylfurfural umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel Furfural umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des sauren Katalysators im Vernetzungsmittel im Bereich von etwa 0,2 % bis 1,0 % liegt und die Konzentration des Vernetzungsmittels in der Vernetzungsmittel/Katalysator-Zusammensetzung im Bereich von etwa 2 % bis 12 % liegt.

23. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, weiters dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzungsmittel samt Katalysator vor dem Formen in den Füllstoff imprägniert werden.

24. Durch das Verfahren nach Anspruch 1 hergestelltes Produkt.

25. Durch das Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 hergestelltes Produkt.

26. Verfahren nach Anspruch 1, weiters dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkörper mit einer hohen Dichte erzeugt wird und die Form auf eine Temperatur zwischen etwa 120ºC und 165ºC vorerhitzt wird und ein Druck zwischen etwa 4.800 und 10.400 kPa (700 - 1500 psi) auf das Material in der Form aufgebracht wird.